混凝土柱轻型钢屋盖结构设计

摘要：随着我国社会经济的快速发展，建筑行业也在很大程度上实现了又新又快发展，其结构形式也可以说是非常多样化的，柱为钢筋混凝土柱，屋面梁为轻型屋面结构体系，屋梁一般采用实腹钢梁。近年来，这种结构体系被越来越多的人采用。因此，在屋面设备布置不多的情况下，轻钢板屋面的设计思想已广泛应用于工业和建筑的主体结构设计中。相对而言，轻型钢筋混凝土屋盖结构的设计有节省成本、加快了施工进度、顶层可容纳大空间、空间利用率高等优点。基于此，本文在现代我国工业建筑设计现状的背景下，了解了轻型钢在工业建筑设计中的重要性及应用，分析了混凝土柱轻型钢屋盖结构设计内容，并以福州某企业新建物流基地为例，探讨了混凝土柱轻型钢屋盖结构设计。

关键词：轻型钢屋盖结构;仓库;结构设计

一、现代工业背景下我国工业建筑设计的现状

改革开放以来，我国的工业行业的发展速度更是让人目不暇接，工业生产类型也由传统的粗放式生产模式向精细的科技化生产模式不断转变。工业行业的迅猛发展，也使得人们对于生产厂房的建筑要求也越来越高，以此满足人们对于日常生產活动的需要。工业建筑设计是工业建筑建设项目的初始阶段，也是工程建设项目顺利开展的有效保证。所以，为了适应现代工业发展的需要，人们对于生产厂房建筑设计的要求也在不断增加，人们希望生产厂房的设计不仅仅能够满足日常生产活动的需要，还要满足其它方面的需求。安全生产是企业生产活动的重中之重，企业要求设计人员在进行生产厂房设计时，不仅要考虑生产安全方面的需求，也应该在生产厂房设计过程中加入环保方面的设计理念。

二、轻型钢在工业建筑设计中的重要性及应用

（一）轻型钢在工业建筑设计中的重要性

就轻型钢来说，这种钢材料的结构造型比较固定，因而极大地方便了材料的批量生产。这样一来，可以极大地降低材料生产的成本，同时还能提高效率。在工业中，生产材料时往往会造成很大的浪费，但是在生产轻型钢时，由于它自身结构简单，极大地减少了浪费的情况。轻型钢的造型美观，有着质量轻、便于搬运等一系列的优点，因而被广泛地应用在工业生产中，给工业建筑带来了巨大的活力。因其具有绿色环保的特点，成为了一种炙手可热的建筑材料。因此，钢结构的设计者们应该高度重视对于钢结构进行设计，利用扎实的理论依据和丰富的实际操作经验来针对钢结构进行改良优化。由于钢结构的设计涉及了几何知识，对于工作人员专业技术知识的要求也很高，在其设计过程中也存在一定困难与挑战。

钢结构的设计者在进行钢结构的设计过程中，应该严格按照钢结构的设计方案进行，以钢结构建设过程的各种施工特点及其性质与工程设计图纸作为钢结构的设计指南，将钢结构的各种设计节点布置落实到位，使整个钢结构的三维形象清晰，绘制好一张相应的钢结构设计图纸，把解决钢结构在设计过程中存在的质量事故放在第一位。优秀的钢结构设计工艺离不开专业技术人员夯实扎固的理论基础和丰富的操作经验。结构设计师们要特别注意每一个环节、每一次施工，把每个细节摆得很到位，保障了构件安装和使用的质量。

（二）轻型钢在工业建筑结构设计中的应用

1、合适的钢材选择

在一些工业建筑中，轻钢结构多用于非承重墙结构。在一些水泥厂房的内壁中，有些人经常考虑复合墙体的形式，所以在施工中需要更加注意两者之间的壁厚协调。复合墙体大多采用压型钢板，压型钢板采用镀锌或镀铝镀锌钢板。可分为大浪、小浪、垂直板块和水平板块。施工开始时，有关施工人员应从多方面分析施工材料的选用。本文首先对钢立面造型进行了分析，从轻钢结构工业建筑设计的角度出发，通过对大量材料的简化和增加，可以改变和改善设计材料单一的特点和规律，为促进中国建筑业的繁荣和发展打下坚实的基础。轻钢结构与普通建筑在很多方面都有着较大的区别，因此，在实际应用中，要充分结合轻钢建筑的主要结构特点，保证轻钢建筑在这一行业的稳定发展。轻钢结构是指工业建筑中使用的较为规则的形式，立面上的结构较为简单。其次，要合理控制立面细部构件的结构设计。轻钢结构工业建筑主要依靠外立面结构进行保温，通过外立面的设计来提高工业建筑的保温效果，但这类建筑对室内温度没有很大的要求。我国大多数工业建筑采用轻钢结构。对这种结构进行节能设计，可以提高墙体的保温性能。

2、金属压型钢屋面的结构设计

在轻钢为主的屋顶设计中，需要在屋顶上设计一定的采光窗，即所谓的天窗，以及相应的通风管和凸出构件。对于屋顶漏水，我们需要根据实际情况制定解决方案。对于一些边长、孔径较小的吊件，施工时可在相应位置涂一定量的硅酮胶，以保证一定的防水效果。对于直径较大的孔洞，要进行相应的防排水作业，防止积水，影响屋面的使用。在通风设计中，有关人员应处理粉尘、烟雾等的影响。他们可以增加天窗，辅助通风设备等。

3、强柱弱梁的设计

在建筑施工的时候，强柱弱梁比较注意整体的设计。这是由于在施工过程中，当整个钢结构承受较大的荷载时，需要在梁上连接一个塑料铰链而不是在气缸上，以保证整个钢结构在使用过程中不会瞬间损坏。钢结构在受到一定的外力作用后，可以在很短的时间内迅速恢复到原来的状态。国家標准在这方面提供了明确的条件和规范。强柱和弱梁必须按设计要求进行计算和分析。只有满足以上要求，才算合格。

三、混凝土柱轻型钢屋盖结构设计内容

（一）结构形式

建筑物内部轻钢框架和屋盖构件内部混凝土撑杆支护柱脚应固定牢确。由于在建筑中使用的混凝土柱顶和钢拱梁之间的连接方法不同，一般在建筑中主要有以下三种类型的连接：（1）柱顶与钢拱梁铰接。由于拱脚的位移对钢拱梁的应力非常敏感，这种建筑的跨距一般在24米以内，（2）钢拱梁必须铰接，柱顶两端各设一根拉杆。一般来说，单极只能承受一定的张力，而不能承受一定的压力。在通风和吸气的影响下，拉杆必须保持一定的张紧状态，否则不适合采用这种结构。因此，对于一般的轻钢建筑屋盖，只有当钢拱梁上部有较大的悬移荷载，且单个拉杆在强风和吸力作用下仍处于被动受拉状态时，才能采用这种建筑的合适结构。这种建筑的跨度一般在30米以内（3）柱顶用钢拱梁固定牢固。这种结构与门式刚架相同，但柱的结构和材料不同，故又称混合门式刚架。由于混凝土柱与钢拱梁的固定节点施工较为复杂，难度较大，一般很少。钢拱梁多跨连续，中间混凝土柱顶部铰接在钢拱梁底部。

（二）结构构件

钢拱梁可以采用H钢、矩形钢管、双角钢组成的T型截面构件，跨度小时可以用热轧H型钢，跨度大时考虑经济宜采用变截面高频焊接H钢，在满足腹板高厚比要求前提下尽量提高腹板的高度，这样钢拱梁的用钢量最少。单拉杆可采用圆钢，并用花篮螺丝张紧，也可采用双角钢、圆钢管、方钢管等。吊杆可采用钢筋或型钢，仅为减少单拉杆的挠度变形，并不参与结构受力。

（三）结构计算

中国建筑科学研究院编制的PKPM-STS软件对混凝土柱上轻钢屋盖结构能够进行很合理的计算。这里仅提出几点应注意的问题。（1）纵向框架应单独录入计算，并考虑横向屋架的荷载作用，复核混凝土柱的配筋。（2）为减少钢拱梁的平面外计算长度，可在梁下翼缘设置隅撑，隅撑间距不宜大于3米，则其平面外计算长度为隅撑间距。（3）单拉杆应按柱录入计算，并设置为单拉杆。风荷载较大的地区，采用单拉杆抵抗斜拱梁对柱顶推力的方式不能起到作用，因为单拉杆在受压时会失效退出工作，建议不采用这种方式。

（四）基础设计

轻钢屋盖结构对混凝土柱的自重很小，采用砖砌体围护结构，柱底轴力不大。对于沉降要求较低的建筑物，如果浅基础承载力的特征值达到100kPa，可以采用自然浅基础，这是最经济的选择。如果浅基础的承载力很低，或者业主对房屋沉降有很高的要求，可以使用桩基础。预应力桩施工周期短，造价低廉，在该地区得到广泛应用。虽然柱底轴力较小，但弯矩较大。预应力管桩的抗弯能力较弱，不能设置单桩基础，只能设置双桩基础承受柱底弯矩。当两桩间距较小时，桩的轴向力较小，弯矩较大，容易被拔出。由于抗拔桩的要求高，施工难度大，经济性差，建议增加两桩之间的桩间距，保证基桩不再拔出。

四、混凝土柱轻型钢屋盖结构设计要点分析

项目案例：如我们在建的天津及广州仓储项目，这个两个项目主要是两层的坡道仓库。第一层、第二层均保证了9米的净空高度，主要柱距为12m，一层为钢筋混凝土框架结构体系，二层为混凝土柱和轻钢屋架的排架结构。这样的结构设计比整体采用钢筋混凝土框架结构节约成本，减少高支模等危险工作。二层因为采用了混凝土柱加钢屋架排架结构，可以局部采取抽柱设计，从而保证二层净高的基础上，还保证了大空间设计。

（一）明确项目的结构体系

首先，轻钢屋盖采用单桁架进行计算。在单桁架的设计中，应采用混凝土柱和钢梁的整体造型分析。地震分析采用振型分解反应谱法。结构阻尼比为0.03。混凝土柱的顶部和屋面钢板梁铰接，混凝土柱底部是刚性的，中产混凝土柱和钢梁之间的连接是连续的，和混凝土柱铰接在底部的钢梁，钢筋混凝土柱的连接位置应当能够满足国家有关钢结构技术标准和规范中的相关要求。当采用工字形梁时，应按照门式钢框架设计规范要求对梁构件的承载能力和强度进行校验考核，鉴于轴力的作用和变截面梁的稳定性而进行计算，但是局部的稳定性要求应能够满足钢结构设计技术规范和其抗震性能规范的具体要求;挠度控制，由于屋盖没有做任何吊顶，且由于考虑到选择的轻型屋面钢结构框架体系对于钢梁的挠度并不是很敏感，所以在计算过程中比较钢结构框架设计规范更重视挠度控制这一指标（L/400）可适当地放宽，计算中完成了单元挠度极限分析方法。在屋面支承构件计算完成后，将钢构件替换为整体三维模型，屋面板可定义为弹性板，并通过整体模型进行分析。由于钢梁对混凝土柱的约束和反应直接与混凝土柱本身的强度有关，而混凝土柱和钢梁属于两种不同的材料，构件的横向位移由于截面尺寸和刚度的不同而不同，而重型钢梁的屋面坡度一般为1/10～1/20，钢梁顶向混凝土柱的坡度会使混凝土柱顶产生较大的推力。在混凝土柱的配筋设计过程中，需要充分考虑这一推力。同时，建筑物基础的高度也受到水平应力的影响。如果这里考虑的不够，那么就需要进行混凝土柱的加固，这将会严重的小于基础。

（二）钢架连接点的设计

轻钢屋盖跨度一般为16～37m。为了大大提高建筑工程的实际施工质量，施工人员一般可以通过分段运输等方式将钢架运到现场，然后由专业施工人员在现场将各种分段钢架紧密拼接在一起，也就是说，可有效避免安全事故的发生。但设计人员必须结合钢架的不同特点，合理设计各种钢架之间的连接点。根据国家标准，钢架连接有三种：一种是端板的竖向连接，另一种是端板的水平连接，第三种是端板的斜向连接。

（三）屋面系统的支撑构件设计

在轻钢屋盖结构设计中，除了建筑主体框架外，其他支撑构件的设计也不容忽视。主体刚架是主要的承重结构，由顶板和支架相互连接，形成一个完整的结构系统;主要的支撑结构为拉杆和水平支撑，拉杆采用刚性钢筋，。压杆的设计必须能够满足轴压应力长细比。一般根据各向同性的受力情况选择在支座处的各向同性相似钢梁和在屋脊节点处的各向同性相似钢梁，并选用不同的各向同性相似的圆管;水平支撑机构圆钢板作为一种柔性的构件，主要是按照拉杆的方式进行设计的，圆钢通常用于水平的支撑，圆钢板在施工时需要进行张拉，截面必须能够很好地满足对拉应力的测量要求。

（四）屋面围护系统构件设计

轻钢屋盖一般采用压型彩钢板制作，屋盖薄钢板的斜边多为Z形冷弯薄壁型钢斜边或Z形直边。对于应力力学的分析方法，可以考虑小杆或连续杆。在屋面设计过程中，应特别注意检查屋面翼缘是否能防止上下翼缘的侧向位移和扭转，上下翼缘的平衡和稳定要求是否得到保证，并应及时采取其他措施，保证法兰的稳定性或增大上下法兰的截面，使上下法兰的整体平衡符合设计规范的要求。

结束语：目前，混凝土柱和轻钢建筑屋盖结构被广泛地应用于大型仓库和工业厂房建筑设计。相对而言，这种建筑结构形式具有其自身的优势，如：顶层可用空间较大，造价经济，施工速度快等。目前，混凝土柱轻钢建筑屋盖的主体结构设计包括以下几个方面：一种就是要明确建筑主体结构的特征，选取合理应力学分析和试验结果来进行主体构件的设计;二是对于钢架各个部位和连接处的设计，合理地设置钢架各个连接处可以较好地维持和提高钢架运动的稳定性;三是建筑屋面系统支撑结构的设计。顶板支持构件的合理设计是如何保证建筑顶板总体性的重要因素;四是建筑屋面围护体系的主要构件装饰设计;第五，角撑的合理布置和横截面的选取，需要建筑工程师有效地維持和提高建筑物的整体设计质量和稳定。

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作者简介

姓名 杨宁佳 性别 女 民族 汉 籍贯 北京市 单位 中远海运航空货运代理有限公司 学历 本科 职称 工程师 研究方向 结构设计